CN103099684A - 一种超声洁牙换能器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种超声洁牙换能器，包括工作尖、变幅杆、前盖板、PZT-4压电陶瓷材料的压电陶瓷片，所述前盖板一端套入所述变幅杆与其连接，所述前盖板另一端外部套设所述压电陶瓷片，所述前盖板设置有接水孔和第一连接孔，所述工作尖和所述变幅杆中心分别设有第一通孔和第二通孔，所述接水孔、所述第一连接孔、所述第一通孔和所述第二通孔相互连通。本发明提出的超声洁牙换能器，一方面选用全振动模式，在换能器的节点处通水，对换能器的性能影响小；另一方面选用高性能压电材料PZT-4，实现低电压驱动；具有性能优良，工作稳定性高等优点。

Description

一种超声洁牙换能器

技术领域

本发明涉及一种口腔医疗器械领域，尤其涉及一种超声洁牙换能器。

背景技术

目前，国内实际使用的超声洁牙换能器存在整体手柄震动大、易发热、阻抗大、驱动电压大。导致传统的超声洁牙换能器的工作稳定性不够，连续工作时间短，经分析，主要不足之处有如下几点：

1、变幅杆的结构尺寸未优化；

2、换能器采用的是半波模式，阻抗大，易发热；

3、通水处在换能器末端，水导管对换能器的性能影响很大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种性能更加优良的超声洁牙换能器，该超声洁牙换能器选用振动模式为全波振动模式，阻抗小。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种超声洁牙换能器，包括工作尖、变幅杆、前盖板、PZT-4压电陶瓷材料的压电陶瓷片，所述前盖板一端套入所述变幅杆与其连接，所述前盖板另一端外部套设所述压电陶瓷片，所述前盖板设置有接水孔和第一连接孔，所述工作尖和所述变幅杆中心分别设有第一通孔和第二通孔，所述接水孔、所述第一连接孔、所述第一通孔和所述第二通孔相互连通。

优选地，其进一步还包括后盖板，所述后盖板中心设置有第二连接孔，所述前盖板套入所述第二连接孔，使压电陶瓷片置于所述前盖板和所述后盖板之间。

优选地，所述第一连接孔、所述第二连接孔和所述接水孔均为螺纹孔。

优选地，所述变幅杆外径为Φ8～Φ15mm，轴向长度为45～50mm。

优选地，所述压电陶瓷片内环直径为Φ4～Φ6mm，外环直径为Φ8～Φ15mm，厚度为1～5mm。

优选地，所述工作尖、变幅杆、前盖板、压电陶瓷片和后盖板其中心在一条直线上。

优选地，所述超声洁牙换能器总长度为108～130mm。

一种超声洁牙换能器的设计方法，其特征在于：所述超声洁牙换能器包括变幅杆和前盖板，所述变幅杆参数设计满足如下公式：

$\tan k{l}_1=-\frac{\sin k{l}_1(\cos k^{\′}{l}_2-{\mathrm{\δ}}_1\sin k^{\′}{l}_2)-\cos k{l}_3({\mathrm{\δ}}_2\cos k^{\′}{l}_2-{\mathrm{\δ}}_3\sin k^{\′}{l}_2)}{\cos k{l}_3(\cos k^{\′}{l}_2+{\mathrm{\δ}}_4\sin k^{\′}{l}_2)-\frac{k}{k^{\′}}\sin k{l}_3\sin k^{\′}{l}_2}$

其中，k'为变幅杆的波数，k为前盖板的波数；δ₁、δ₂、δ₃及δ₄为变幅杆的比例常量；l₁、l₂及l₃为变幅杆结构的各级长度。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明提出的超声洁牙换能器，选用振动模式为全波振动模式，阻抗小；

2、本发明采用全波模式的变幅杆部分设计频率方程设计出变幅杆部分的各级尺寸，工作模态更优；

3、本发明选择PZT-4的高性能压电陶瓷材料，机械性能高，可实现低电压驱动；

4、本发明在换能器节点处通水，节点选在压电陶瓷片紧贴前盖板处；

5、本发明利用阻抗分析仪测试换能系统的导纳特性，检测系统运动的谐振频率；利用激光多谱勒测振仪测试换能系统末端的位移振幅及振动模态，以检测系统的位移输出；变幅杆的尺寸经过优化设计得到，可实现超声洁牙换能器工作稳定性高，长时间连续工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种超声洁牙换能器一个实施例的主视结构示意图；

图2为图1中A-A向的剖视结构示意图；

图3为图1中变幅杆部分优化设计示意图；

图中：1工作尖；11第一通孔；2变幅杆；21第二通孔；3前盖板；31第一连接孔；32接水孔；4压电陶瓷片；5后盖板；51第二连接孔；6导水管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1～图3所示的优选实施例，一种超声洁牙换能器，包括工作尖1、变幅杆2、前盖板3、PZT-4压电陶瓷材料的压电陶瓷片4和后盖板5，所述前盖板3一端套入所述变幅杆2与其连接，所述前盖板3另一端外部套设所述压电陶瓷片4，所述前盖板3设置有接水孔32和第一连接孔31，所述工作尖1和所述变幅杆2中心分别设有第一通孔11和第二通孔21，所述接水孔32、所述第一连接孔31、所述第一通孔11和所述第二通孔21相互连通。所述后盖板5中心设置有第二连接孔51，所述前盖板3套入所述第二连接孔51，使压电陶瓷片4置于所述前盖板3和所述后盖板5之间。所述第一连接孔31、所述第二连接孔51和所述接水孔32均为螺纹孔。在本实施例中压电陶瓷片4选用PZT-4压电陶瓷材料，其机械性能高，可实现低电压驱动。

PZT是锆钛酸铅压电陶瓷的简称，其中P是铅元素Pb的缩写，Z是锆元素Zr的缩写，T是钛元素Ti的缩写。PZT压电陶瓷是将二氧化铅、锆酸铅、钛酸铅在1200度高温下烧结而成的多晶体，其具有正压电效应和负压电效应。它是钛酸铅和锆酸铅固溶体为基的组成物，其居里点在300-400摄氏度之间，在较大的温度范围内比较稳定，作为换能器材料，其压电效应显著。PZT-4是用钙、锶或钡置换部分的铅，用锡置换锆而做出的一种材料，其居里点降低，电容率增大。

在本实施例中所述第一连接孔31中空，其外侧加工有与所述变幅杆2套设连接的内螺纹，所述第二连接孔51设置有与所述前盖板3套设连接的内螺纹，其均通过固定件连接。在本实施例中所述接水孔32设置于紧贴所述压电陶瓷片4的前盖板3侧面，其为螺纹孔，便于连接导水管实现洗牙过程的通水，在前盖板3处接，即在节点处通水，其最大程度减少对超声波的性能影响，从而提高该超声洁牙换能器的性能，所述导水管采用HPb63-3制造。本实施例中优选动力装置为超声波，所述超声波通过驱动压电陶瓷片4产生，来完成超声洁牙换能器的工作。

所述变幅杆2一端与所述前盖板3连接，另一端与所述工作尖1通过固定件连接，本实施例中优选固定件为M3的螺栓。本实施例中，所述工作尖1采用传统型的工作尖，银亮钢制造，所述前盖板3和所述后盖板5采用不锈钢304制造，所述变幅杆2采用钛合金TC4制造。

一种超声洁牙换能器的设计方法，其中变幅杆部分各级尺寸是根据全波模式的变幅杆部分设计频率方程设计得出，变幅杆参数设计满足公式：

$\tan k{l}_1=-\frac{\sin k{l}_1(\cos k^{\′}{l}_2-{\mathrm{\δ}}_1\sin k^{\′}{l}_2)-\cos k{l}_3({\mathrm{\δ}}_2\cos k^{\′}{l}_2-{\mathrm{\δ}}_3\sin k^{\′}{l}_2)}{\cos k{l}_3(\cos k^{\′}{l}_2+{\mathrm{\δ}}_4\sin k^{\′}{l}_2)-\frac{k}{k^{\′}}\sin k{l}_3\sin k^{\′}{l}_2}$

其中，k'为变幅杆的波数，k为前盖板的波数；δ₁、δ₂、δ₃及δ₄为变幅杆的比例常量；l₁、l₂及l₃为变幅杆结构的各级长度，l₁、l₂及l₃即为如图3所示的L1、L2、L3。

本实施例中选择振动模式为全波模式，变幅杆尺寸设计公式的设计步骤为：

由连续弹性体杆件波动方程：

$\frac{{\∂}^{2}y}{\∂x^2}+\frac{1}{S}\frac{\∂S}{\∂x}\frac{\∂y}{\∂x}+k^{2}y=0---(1-1)$

其解为：

$y\left(x\right)=\frac{1}{\sqrt{S}}(C_1\·\cos \left(\mathrm{kx}\right)+C_2\·\left(\mathrm{kx}\right))---(1-2)$

各段质点振动位移为：

0＜x＜l₁,y₁＝a₁coskx+b₁sinkx

l₁＜x＜l₁+l₂,y₂＝R(x)(a₂cosk'x+b₂sink'x)    (1-3)

l₂＜x＜l₂+l₃,y₃＝a₃coskx+b₃sinkx

式中a1，b1，a2，b2，a3，b3均为待定常数；式中k是表示圆柱杆件波数，k'为圆锥杆件波数。

对应的弹性力为：

0＜x＜l₁,F₁＝Ek(-a₁sinkx+b₁coskx)    (1-4)

l₁＜x＜l₁+l₂,F₂＝E[R'(x)(a₂cosk'x+b₂sink'x)+k'R(x)(-a₂sink'x+b₂cosk'x)]

(1-5)

l₂＜x＜l₂+l₃,F₃＝Ek(-a₃sinkx+b₃coskx)

(1-6)

根据超声传递的位移与力连续，可列出以下方程：

(1)在x=0位置：

y₁(0)＝y_i；A₁F₁(0)＝-F_i，    (1-7)

(2)在x=l₁位置：

y₁(l₁)＝y₂(l₁)；A₁F₁(l₁)＝A₂F₂(l₁)，    (1-8)

(3)在x=l₁+l₂位置：

y₂(l₁+l₂)＝y₃(l₁+l₂)；A₂F₂(l₁+l₂)＝A₃F₃(l₁+l₂)，    (1-9)

(4)在x=l₁+l₂+l₃位置：

y₃(l₁+l₂+l₃)＝y_o；A₃F₃(l₁+l₂+l₃)＝-F_o＝0    (1-10)

联立方程组，求得复合变幅杆的频率方程：

$\sin k{l}_1(\cos k^{\′}{l}_2-\mathrm{\α}\sin k^{\′}{l}_2)-\cos k{l}_3(\mathrm{\β}\cos k^{\′}{l}_2-\mathrm{\γ}\sin k^{\′}{l}_2)$

$+\tan k{l}_1(\cos k{l}_3(\cos k^{\′}{l}_2+\mathrm{\τ}\sin k^{\′}{l}_2)-\frac{k}{k^{\′}}\sin k{\mathrm{kl}}_3\sin k^{\′}{l}_2)=0---(1-11)$

其中，

$\mathrm{\α}=\frac{1}{k^{\′}}\left[\frac{R^{\′}\left(0\right)}{R\left(0\right)}\right]$

$\mathrm{\β}=\frac{1}{k}[\frac{R^{\′}\left(l_2\right)}{R\left(l_2\right)}-\frac{R^{\′}\left(0\right)}{R\left(0\right)}]$

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{k{k}^{\′}}[{k^{\′}}_2+\frac{R^{\′}\left(l_2\right)}{R\left(l_2\right)}\frac{R^{\′}\left(0\right)}{R\left(0\right)}]$

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{k^{\′}}\left[\frac{R^{\′}\left(l_2\right)}{R\left(l_2\right)}\right]$

公式（1-11）为确定变幅杆部分基本尺寸的依据，利用计算机语言（Matlab）可以计算公式中参数的初步值。

表1-1列出了不同变幅杆类型所使用的设计参数。

表1-1

（1）基于有限单元法的换能系统验证

利用大型有限元分析软件ANSYS对由一维弹性波理论建立的换能系统进行验证，获得换能系统的频率分布、振动模态、以及相应的振型；

（2）换能系统加工与装配

按各部件的结构尺寸，对换能系统各部分进行加工，利用指针测力计装配，操作过程中遵循：

所述工作尖、变幅杆、前盖板、压电陶瓷片和后盖板其中心在一条直线上，所述压电陶瓷片4与所述变幅杆2同轴度为0.02～0.06，本实施例中，装配时压电陶瓷片4与变幅杆2的同轴度为0.04，可实现所述压电陶瓷片4与所述变幅杆2通孔配合紧密，从而增强所述超声洁牙换能器的工作稳定性。

（3）换能系统性能检测

利用阻抗分析仪测试换能系统的导纳特性，检测系统运动的谐振频率；利用激光多谱勒测振仪测试换能系统末端的位移振幅及振动模态，以检测系统的位移输出。

经过优化设计，全波模式振动的换能器性能优良的变幅杆2的总长度为45～50mm，所述变幅杆2外径为Φ8～Φ15mm，本实施例优选变幅杆2外径为Φ10mm。超声洁牙换能器总长度为108～130mm，本实施例优选所述前盖板3的外径为20mm，换能器总长为110mm～120mm。

所述压电陶瓷片4选用PZT-4的高性能压电陶瓷材料，其机械性能好，可实现低电压驱动，所述压电陶瓷片4内环直径为Φ4～Φ6mm，外环直径为Φ8～Φ12mm，厚度为1～5mm，本实施例中优选压电陶瓷片4尺寸为Φ11.5×Φ5.3×1.25mm。

本实施例中利用阻抗分析仪对换能器进行扫频测试，检测系统的谐振频率，可得系统的工作频率在30kHz左右；利用激光多谱勒测试仪检测换能器末端的位移输出，可得系统的输出位移为20um左右，符合超声波洁牙的要求。

本发明采用全振动模式，阻抗小，变幅杆的尺寸经过优化设计得到，可实现超声洁牙换能器工作稳定性高，长时间连续工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声洁牙换能器，包括工作尖、变幅杆、前盖板、PZT-4压电陶瓷材料的压电陶瓷片，其特征在于：所述前盖板一端套入所述变幅杆与其连接，所述前盖板另一端外部套设所述压电陶瓷片，所述前盖板设置有接水孔和第一连接孔，所述工作尖和所述变幅杆中心分别设有第一通孔和第二通孔，所述接水孔、所述第一连接孔、所述第一通孔和所述第二通孔相互连通。

2.如权利要求1所述的超声洁牙换能器，其特征在于：其进一步还包括后盖板，所述后盖板中心设置有第二连接孔，所述前盖板套入所述第二连接孔，使压电陶瓷片置于所述前盖板和所述后盖板之间。

3.如权利要求2所述的超声洁牙换能器，其特征在于：所述第一连接孔、所述第二连接孔和所述接水孔均为螺纹孔。

4.如权利要求1所述的超声洁牙换能器，其特征在于：所述变幅杆外径为Φ8～Φ15mm，轴向长度为45～50mm。

5.如权利要求1所述的超声洁牙换能器，其特征在于：所述压电陶瓷片内环直径为Φ4～Φ6mm，外环直径为Φ8～Φ15mm，厚度为1～5mm。

6.如权利要求1所述的超声洁牙换能器，其特征在于：所述工作尖、变幅杆、前盖板、压电陶瓷片和后盖板其中心在一条直线上。

7.如权利要求1所述的超声洁牙换能器，其特征在于：所述超声洁牙换能器总长度为108～130mm。

8.一种超声洁牙换能器的设计方法，其特征在于：所述超声洁牙换能器包括变幅杆和前盖板，所述变幅杆参数设计满足如下公式：

$\tan k{l}_1=-\frac{\sin k{l}_1(\cos k^{\′}{l}_2-{\mathrm{\δ}}_1\sin k^{\′}{l}_2)-\cos k{l}_3({\mathrm{\δ}}_2\cos k^{\′}{l}_2-{\mathrm{\δ}}_3\sin k^{\′}{l}_2)}{\cos k{l}_3(\cos k^{\′}{l}_2+{\mathrm{\δ}}_4\sin k^{\′}{l}_2)-\frac{k}{k^{\′}}\sin k{l}_3\sin k^{\′}{l}_2}$

其中，k'为变幅杆的波数，k为前盖板的波数；δ₁、δ₂、δ₃及δ₄为变幅杆的比例常量；l₁、l₂及l₃为变幅杆结构的各级长度。

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